材料拉伸时的力学性能

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 材料在轴向拉压时的力学性能,材料的力学性能与温度和加载速率有关。本章主要介绍材料在,静载和常温下的力学性能,。材料的力学性能必须通过试验加以确定。为了试验数据的可比性，试件要做成,标准试件,。显然试件所能承受的最大载荷与试件横截面面积有关，试件的变形量与试件长度有关。为消除试件的纵横尺寸对试验结果的影响，采用应力一应变曲线。对金属材料，,低碳钢是典型的塑性材料，而铸铁却是典型的脆性材料。,因此，本章将重点介绍低碳钢和铸铁的力学性能。,6.1 材料在拉伸(压缩)时的力学性能,材料的力学性能,是指材料在外力作用下表现出的变形和破坏方面的特性。,在室温下，以缓慢平稳加载的方式进行的拉伸试验，称为,常温、静载拉伸试验。,试件中：d为圆试件直径，l为试件的有效长度，称为标距；A为板试件的横截面积。,圆截面：,矩形截面：,=11.3,=5.65,6.1.1 低碳钢在轴向拉伸时的力学性能,试验过程中的轴力F,N,（在数值上等于载荷 P的数值）和对应的试件伸长量l绘成Pl曲线，称为“拉伸曲线”,为了消除尺寸的影响，获得反映材料性能的曲线，将纵坐标P和横坐标l（标距的伸长量）分别除以试件的初始截面积A,0,和标距l,0,，得到材料拉伸时的应力一应变曲线，即一曲线。,（1）低碳钢拉伸曲线的四个阶段,弹性阶段（ob）,比例极限,p,材料应力应变成正比的最大应力值,弹性极限,e,材料只出现弹性变形的应力极限值,（比例系数）,E,为与材料有关的比例常数，随材料不同而异。当 时，由此说明表明材料的刚性的大小。,流动阶段（屈服阶段）（bc）,在此阶段内，载荷基本上不变，但变形增加较快。曲线呈现摆动，摆动的最小应力和最大应力分别称为,屈服下限,和,屈服上限,。屈服下限数值较为稳定，不太受加载速率的影响，将其定义为材料屈服极限,s,。,现象：,磨光试件表面出现与轴线成45,倾角条纹,滑移线，是由于材料晶格发生相对滑移所造成。材料产生显著塑性变形，影响构件正常使用，应避免出现。,应力特征值,：屈服极限,s,衡量材料强度的重要指标,强化阶段,（ce）,强化现象,：材料恢复抵抗变形的能力，要使应变增加，必须增大应力值,。,曲线表现为上升阶段。,应力特征性,：强度极限,材料能承受的最大应力值。,冷作硬化,材料预拉到强化阶段，使之发生塑性变形，然后卸载，当再次加载时,弹性极限,和,屈服极限,提高、,塑性,降低的现象。工程上常用冷作硬化来提高某些材料在弹性范围内的承载能力，如建筑构件中的钢筋、起重机的钢缆绳等，一般都要作预拉处理,。,但,冷作硬化使材料变硬、变脆，使加工发生困难，且易产生裂纹，这时可以采用退火处理，部分或全部地消除材料的冷作硬化效应。,某些金属材料加载至塑性变形阶段后卸载，放置一段时间后再加载，其比例极限和强度极限也会有一定程度的提高，且高于冷作硬化后立即加载时的数值，这种现象称为“,时效,”。,颈缩阶段(ef),在该阶段试件局部区域明显呈杯状变细，故称为,颈缩阶段,。在颈缩阶段，应力一应变曲线呈下降状态，直到试件断裂。,实验指出，在弹性范围内，纵向应变,x,与横向应变,y,之间存在下列关系：,y,=-,x,在弹性范围,内基本为定值，其数,值范围为00.5。,超出弹性范围值逐步,增大至0.5。工程常用,材料在弹性范围内的,值及弹性模量E值列于,表61。,低碳钢拉伸试验现象：,屈服：,颈缩,：,断裂：,6.1.2,铸铁在轴向拉伸时的力学性能,铸铁拉伸直到断裂，应力和应变近似地呈现直线关系（图64）。因此，铸铁直至断裂都满足胡克定律。铸铁拉伸直到断裂，试件尺寸几乎没有变化，所以，,铸铁是脆性材料,。脆性材料的强度指标是强度极限外,b,，它等于试件断裂载荷除以试件的原横截面面积。,O,6.1.3 强度指标和塑性指标,从强度考虑，,低碳钢,的强度指标为屈服极限,s,和强度极限,b,；,铸铁,的强度指标为强度极限,b,。从变形考虑，可以得到材料的延伸率和面积收缩率。,延伸率定义为试件在断裂后的工作标距的相对伸长，且用百分数表示，即,面积收缩率定义为试件预缩的截面面积相对于试件的原横截面面积的百分数，即,延伸率5%的材料，称为,塑性材料,；延伸率5%的材料,称为,脆性材料,。,6.1.4 低碳钢和铸铁在轴向压缩时的力学任能,压缩的线性段与拉伸的线性段相同，且压缩的屈服极限在数值上与拉伸的屈服极限相同。低碳钢的压缩变形，随载荷增加开始成鼓形，然后成饼形，不发生断裂破坏。铸铁在轴向压缩时，产生斜断口的断裂（图68）,。,粗短圆柱体：,h,0,=1,3d,0,O,拉伸试验,b,灰铸铁压缩,试验现象,：,6.1.5 非金属材料在轴向拉（压）时的力学性能,（,l）混凝土、石料,（2）木材,（3）单向复合材料（单向极）,6.2 材料在高温和动载荷时的力学性能,6.2.1 材料在高温和动载荷时的力学性能,图612和图613可以看出：,（l）强度极限,b,开始随温度增加，当温度在250350之间时,b,最大，当温度再升高时,b,显著下降。,（2）流动极限,s,和比例极限,p,随温度升高而下降。到 300 350 后，流动阶段消失。,（3）延伸率,和截面收缩率在,250350,时最低，此时钢材呈现一定程度的脆性，以后和又,随温度上升而增加。,（4）弹性模量E随温度上升而一直下降，泊松比则一直上升。,6.2.2 高温蠕变和应力松弛,（l）蠕变现象,（2）松弛现象,6.2.3 在动载荷下应变速率对材料力学性能的影响,6.3,安全系数 许用应力,通常把材料破坏的极限应力,u,除以大于1的数n作为许用应力，用表示，即,n称为安全系数,对于塑性材料,u,为屈服极限,s,，对于脆性材料,u,为强度极限,b,。,为什么采用安全系数，基于下面两个方面的原因：,（l）在强度计算中，有些数据与实际有差异,这些差异都以安全系数的形式来考虑。,（2）给构件以一定的强度储备，一般在静载荷下，对塑性材料取n,s,=1.21.5，对脆性材料取n,s,=23.5,合理选择安全系数是一个比较复杂的问题，安全系数偏大会造成材料的浪费，偏小又可能造成破坏事故。所以安全系数的确定是关系到安全与经济的大问题，一般由国家专门机关在规范中作出具体的规定。随着科学技术的发展和人们对客观规律认识得愈深入，安全系数也就可以取得低些。,